- •3. Собственные и примесные полупроводники
- •Неравновесное состояние полупроводника
- •Тема 2. Электронно-дырочный переход.
- •1.Формирование р-п-перехода
- •2.Р-п-переход при отсутствии внешнего напряжения.
- •3.Р-п-переход при прямом напряжении.
- •4.Р-п-переход при обратном напряжении.
- •Тема 3. Полупроводниковые диоды
- •1. Устройство полупроводниковых диодов
- •Выпрямительный режим работы полупроводниковых диодов
- •Дифференциальные параметры диода и емкости диода
- •5. Пробой диода.
- •Туннельный пробой.
- •Лавинный пробой.
- •Тепловой пробой.
4.Р-п-переход при обратном напряжении.
Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к области п, а отрицательным - к области р (рис. 2.4, а).
Под действием такого обратного напряжения через переход протекает очень небольшой обратный ток , что объясняется следующим образом.
Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. На рис. 2.4, а это показывают одинаковые направления векторов . Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барьера теперь равна (рис. 2.4, б).
Уже при небольшом повышении барьера диффузионное перемещение основных носителей через переход прекращается, т. е. , так как собственные скорости носителей недостаточны для преодоления барьера. А ток проводимости остается почти неизменным, поскольку он определяется главным образом числом неосновных носителей, попадающих на п - р-переход из п- и р-об-ластей. Выведение неосновных носителей через п - р-переход ускоряющим электрическим полем, созданным обратным напряжением, называют экстракцией носителей заряда (слово «экстракция» означает «выдергивание, извлечение»).
Таким образом, обратный ток представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей. Обратный ток получается очень небольшим, так как неосновных носителей мало и, кроме того, сопротивление запирающего слоя при обратном напряжении очень велико. Действительно, при повышении обратного напряжения поле в месте перехода становится сильнее и под действием этого поля больше основных носителей «выталкивается» из пограничных слоев вглубь п- и р-областей. Поэтому с увеличением обратного напряжения увеличивается не только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего слоя (do6p > d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, к его сопротивление значительно возрастает, т. е. .
Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обратный ток становится практически постоянным. Это объясняется тем, что число неосновных носителей ограничено. С повышением температуры концентрация их возрастает, и обратный ток увеличивается, а обратное сопротивление уменьшается.
Тема 3. Полупроводниковые диоды
Полупроводниковый диод – это двухэлектродный полупроводниковый прибор с выпрямляющим электрическим переходом. В качестве выпрямляющего электрического перехода применяют р-п-переход, гетеропереход или выпрямляющий контакт металла с полупроводником.
1. Устройство полупроводниковых диодов
Подавляющее большинство полупроводниковых диодов представляет собой структуру, состоящую из областей п-типа и р-типа, имеющих различную концентрацию примеси и разделенных электронно-дырочным переходом. Область с высокой концентрацией примеси (порядка 1018 см-3) называют эмиттером, область с низкой концентрацией примеси (порядка 1014-1016 см-3) называют базой.
Существуют различные методы создания электронно-дырочных структур:
Метод вплавления. При изготовлении р-п-структуры методом вплавления в кристалл германия со слабо выраженной электронной электропроводностью вплавляют таблетку индия, галлия или бора. В процессе термической обработки таблетка и прилегающий к ней слой германия расплавляются, и германий растворяется в расплавленной примеси. После остывания на поверхности кристалла образуется тонкий слой германия с резко выраженной дырочной проводимостью. Электронно-дырочный переход в этом случае получается резким.
Диффузионный метод. При изготовлении диода диффузионным методом на поверхности кремниевой пластины со слабо выраженной электронной электропроводностью методом вакуумного напыления создают слой алюминия. В процессе термической обработки атомы алюминия диффундируют вглубь кристалла, в результате чего образуется слой с дырочной проводимостью. Особенностью диодов, полученных этим способом, является то, что концентрация введенной примеси уменьшается с глубиной, поэтому р-п-переход получается плавным.
Метод эпитаксиального наращивания. При изготовлении диодов методом эпитаксиального наращивания на кремниевую пластину с определенным типом электропроводности осаждают атомы кремния из паров хлорида кремния, содержащего донорную или акцепторную примесь. Осаждающиеся атомы повторяют кристаллическую структуру кремниевой пластины, в результате чего образуется монокристалл, одна часть которого имеет электронную проводимость, другая — дырочную.
Точечный метод. Существуют также точечные диоды, у которых в хорошо отшлифованную пластину германия или кремния с электронной электропроводностью упирается металлическая игла. В процессе производства контакт иглы с полупроводником подвергают электрической формовке, которая заключается в пропускании через контакт мощных импульсов тока. При этом происходит местный разогрев контакта, и кончик иглы сплавляется с полупроводником, что обеспечивает стабильность и механическую прочность контакта. Кроме того, в процессе формовки часть материала иглы диффундирует в полупроводник, образуя под точечным контактом полусферическую область с дырочной электропроводностью.
Независимо от способа изготовления полупроводникового диода концентрация примеси в базе всегда меньше, чем в эмиттере, поэтому электронно-дырочный переход оказывается сдвинутыми в область базы, то есть является несимметричным. Вследствие низкой концентрации примеси база обладает значительным сопротивлением . Ширина базы во многих случаях оказывается меньше диффузионной длины дырок .
На рис. 3.1 показана р-п-структура, изготовленная по комбинированной технологии, широко используемой при производстве интегральных схем.
На кремниевой подложке п+-типа выращивают эпитаксиальный слой п-типа. Затем поверхность выращенного слоя окисляют, в результате чего образуется слой толщинойоколо 1 мкм, в котором создают окна и через них методом диффузии вводят акцепторную примесь, изменяющую тип электропроводности выращенного кристалла. В результате образуется р+-слой с высокой концентрацией примеси, отделенный от п-области электронно-дырочным переходом. Затем осуществляют омические контакты с п+- и р+-областями путем напыления алюминия. В процессе изготовления на кремниевой пластине создается большое количество одинаковых р-п-структур. Такую пластину разделяют на отдельные кристаллики, каждый из которых монтируют в герметичном металлическом, пластмассовом или стеклянном корпусе, защищающем кристалл от воздействия окружающей среды, а базу и эмиттер через омические контакты соединяют с внешними выводами.